Phát triển, tự động hóa hệ đo đường trễ điện môi ứng dụng trong nghiên cứu tính chất vật liệu sắt điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HOÀNG LÊ CHÂU HUY

PHÁT TRIỂN, TỰ ĐỘNG HÓA
HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI
ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU
TÍNH CHẤT VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HUẾ - 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HOÀNG LÊ CHÂU HUY

PHÁT TRIỂN, TỰ ĐỘNG HÓA
HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI
ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU
TÍNH CHẤT VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN

Ngành: Công nghệ điện tử - viễn thông
Chuyên ngành: kĩ thuật điện tử
Mã số: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. VÕ THANH TÙNG

HUẾ - 2014


-1-

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Võ Thanh
Tùng đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức quý báu, giúp
tôi thực hiện hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo trong khoa điện tử viễn thông
trường Đại học Công Nghệ Hà Nội đã dạy dỗ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi
trong quá trình thực hiện đề tài
Ngoài ra tôi xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu và khoa điện trường
cao đẳng nghề thừa thiên huế đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được đi học sau
đại học.
Cám ơn các bạn đồng nghiệp và các bạn trong lớp cao học khóa K18 đã
động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập vừa qua.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến ba, mẹ và những người thân
trong gia đình luôn bên tôi, giúp đỡ tinh thần cũng như vật chất để tôi thực hiện
tốt luận văn này.
Mặc dù đã nỗ lực hết mình nhưng do hạn chế về thời gian và kiến thức
nên đề tài này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả chân
thành mong muốn được nhận những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô
và các bạn để đề tài được hoàn chỉnh hơn.

Huế tháng 11 năm 2013
Học viên
Hoàng Lê Châu Huy


-2-

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung thực nghiệm nêu trong bản luận văn
này là do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo - Tiến
sỹ Võ Thanh Tùng, luận văn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Khoa Vật lý,
Trường Đại học Khoa học Huế. Thời gian làm đề tài luận văn thạc sỹ từ tháng 1
đến tháng 12 năm 2013.
Các kết quả, số liệu thực nghiệm đều được công bố lần đầu và không
trùng với bất kỳ tài liệu nào đã công bố trước đó.
Người viết

Hoàng Lê Châu Huy


-3-

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... 2
MỤC LỤC .......................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. 5
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 7
1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: ........................................................ 7
2. Mục đích và nội dung nghiên cứu ................................................................ 7

3. Ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng thực tiển của đề tài ....................... 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN MẠCH ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI TRONG
NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN ............................................................ 10
1.1. Vật liệu sắt điện có cấu trúc Perovskite. .................................................. 10
1.1.1. Cấu trúc của gốm dạng ABO3 [1, 2] .................................................. 10
1.1.2. Phân cực tự phát trong các tinh thể sắt điện. ..................................... 12
1.2. Cấu trúc Đômen của chất sắt điện ........................................................... 14
1.3. Đường trễ điện môi ................................................................................. 15
1.4. Mạch Sawyer-Tower ............................................................................... 17
CHƯƠNG 2. HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI TRÊN THIẾT BỊ CỦA HÃNG
RADIANT TECHNOLOGIES .......................................................................... 21
2.1. Giới thiệu về hãng Radiant Technologies ................................................ 21
2.2. Đường trễ sắt điện “toàn phần” (Full Histeresis) ..................................... 23
2.3. Khảo sát đường trễ sắt điện với chương trình MODEL và ANALYSIS .. 23
2.3.1. Chương trình phần mềm ANALYSIS và MODEL ............................ 23
2.3.2. Khảo sát thành phần dư ..................................................................... 25
2.3.3. Thành phần “không dư” (Non-Remenent) ......................................... 25
2.3.4. Dòng rò trở kháng ............................................................................. 26
2.3.5. Các thành phần tuyến tính và điện dung ký sinh ............................... 26
2.3.6. Đường trễ toàn phần mô phỏng và khảo sát ...................................... 27
2.4. Chương trình khảo sát áp điện (phần mềm Piezoelectric) ........................ 27
2.4.1. Giới thiệu .......................................................................................... 27
2.4.2. Nguyên lý hoạt động và các tham số khảo sát ................................... 28
2.5. Mô hình tương đương và định nghĩa các tham số .................................... 32
2.5.1. Mạch tương đương............................................................................ 32


-4-

2.5.2. Bảng định nghĩa các thông số ........................................................... 33

CHƯƠNG 3. PHÁT TRIỂN HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI DỰA TRÊN
CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ RT66A. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN ......................... 35
3.1. Nguyên lý mạch “đất ảo” ........................................................................ 35
3.2. Phát triển hệ đo đường trễ điện môi trên nguyên lý mạch “đất ảo” .......... 37
3.3. Ghép nối hệ đo đường trễ điện môi trên nguyên lý mạch “đất ảo”........... 40
3.3.1. Hệ đo trên mạch “đất ảo” thử nghiệm ............................................... 40
3.3.2. Hệ đo trên mạch “đất ảo” hoàn chỉnh ................................................ 45
3.4. Đánh giá, so sánh các phương pháp khảo sát đường trễ ........................... 47
KẾT LUẬN, ĐỀ XUẤT .................................................................................... 50
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .................................................. 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 52


-5-

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Độ dịch chuyển của các ion trong BaTiO3 và PbTiO3....................... 14
Bảng 2.1: Các phần mềm đo áp điện của hệ RT66A. ........................................ 28
Bảng 2.2: Các tính chất của vật liệu áp điện. .................................................... 28
Bảng 2.3: Sự liên kết giữa Cơ - Nhiệt - Điện. ................................................... 29
Bảng 2.4: Sự liên kết giữa Cơ - Nhiệt - Điện. ................................................... 29
Bảng 2.5: Bảng ma trận cặp rút gọn. ................................................................ 30
Bảng 2.6: Các cặp số hạng không thuần nhất.................................................... 30
Bảng 2.7: Các hệ số áp điện nhận được từ hệ đo RT66A. ................................. 32
Bảng 2.8: Bảng định nghĩa các thông số. .......................................................... 33
Bảng 3.1:Bảng so sánh các thông số của hai phương pháp đo. ........................ 36
Bảng 3.2: Thông tin chi tiết các thiết bị sử dụng trong hệ đo ............................ 42

-6-

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: (a) Ô cơ sở perovskite lập phương, ................................................... 11
Hình 1.2: (a) Tinh thể một đômen (b) đômen 1800 (c) đômen 900. ................... 15
Hình 1.3: Đường trễ điện môi trong các vật liệu sắt điện. ................................. 16
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý mạch Sawyer – Tower. ........................................... 18
Hình 1.5: Mạch Sawyer – Tower hoàn chỉnh. ................................................... 18
Hình 1.6: Hệ đo mạch Sawyer-Tower của nhóm tác giả trước đây. ................. 19
Hình 1.7: Sơ đồ phát triển dựa trên mạch Sawyer-Tower. ................................ 19
Hình 1.8: Hệ đo hoàn chỉnh phát triển trên mạch Sawyer-Tower...................... 19
Hình 1.9: (a) Máy phát phát tín hiệu kích thích dưới dạng xung tam giác áp đặt
lên mẫu. (b) Hình ảnh đường trễ sắt điện thu nhận trên dao động ký số. ........... 20
Hình 2.1: Hệ đo RT66A. .................................................................................. 22
Hình 2.2: Hình ảnh tổng thể hệ đo RT66A. ...................................................... 22
Hình: 2.3: Hình ảnh khảo sát đường trễ sắt điện. .............................................. 23
Hình 2.4: Đo và mô phỏng các thành phần dư. ................................................. 25
Hình 2.5: Các thành phần “không dư” khảo sát được và mô phỏng. ................. 26
Hình 2.6: Đo điện dung ký sinh ở điện thế thấp với thành phần đường trễ nhỏ. 27
Hình 2.7: Đường trễ toàn phần mô phỏng và khảo sát được. ............................ 27
Hình 2.8: Mạch tương đương đối với mẫu sắt điện. .......................................... 33
Hình 3.1: Nguyên lý của mạch “đất ảo”. ......................................................... 36
Hình 3.2: Sơ đồ khối mạch RT66A sử dụng chế độ đo mạch “đất ảo”. ............. 37
Hình 3.3: Sơ đồ khối mạch khuếch đại chuyển đổi dòng điện thành điện áp..... 39
Hình 3.4: Sơ đồ mạch diod bảo vệ mạch khuếch đại ........................................ 40
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý mạch “đất ảo” ........................................................ 41
Hình 3.6: Mạch “đất ảo”thử nghiệm ................................................................. 41
Hình 3.7: Hệ đo hoàn chỉnh phát triển trên mạch “đất ảo” thử nghiệm. ............ 42
Hình 3.8. Kết nối cho hệ “đất ảo” thử nghiệm nhằm đánh giá tính tuyến tính và
tính hệ số khuếch đại của hệ đo này ................................................................. 44

Hình 3.9: Kết quả trên mạch “đất ảo”thử nghiệm ............................................. 44
Hình 3.10: (a, b) Đường trễ của mẫu BZT-50BCT được đo bằng phương pháp
mạch “đất ảo” sử dụng mạch thử nghiệm ......................................................... 45
Hình 3.11: Mạch “đất ảo”hoàn chỉnh ............................................................... 46
Hình 3.12: kết nối cho hệ ‘’đất ảo’’ hoàn chỉnh và tín hiệu khuếch đại của hệ đo
trên mạch này là khoảng 500 lần ...................................................................... 46
Hình 3.13: (a) Máy phát phát tín hiệu kích thích dưới dạng xung tam giác áp đặt
lên mẫu. (b) Hình ảnh đường trễ sắt điện thu nhận trên dao động ký số. ........... 47
Hình 3.14: Kết quả so sánh các phương pháp đo đường trễ: phương pháp “đất
ảo” và phương pháp trên hệ RT66A. ................................................................ 48
Hình 3.15: Kết quả đo đường trễ a) thay đổi dạng tín hiệu; b) thay đổi tần số áp
đặt .................................................................................................................... 48


-7-

MỞ ĐẦU

1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:
Ngày nay với sự phát triển rất nhanh của khoa học kỹ thuật, nhiệm vụ tìm
kiếm và nghiên cứu chế tạo ra các vật liệu mới đang được đặt lên hàng đầu.
Song song với quá trình chế tạo, việc ra đời các thiết bị nhằm kiểm tra, đánh giá
các tính chất của vật liệu mới cũng phát triển khá mạnh. Phù hợp với xu hướng
phát triển chung, hiện nay phòng thí nghiệm bộ môn Vật lý Chất rắn, Khoa Vật
lý, Trường Đại học Khoa học Huế cũng đã được trang bị các thiết bị hiện đại
như máy HP-4193A, Agilent 4396B, HIOKI LCR3532…, nhằm hỗ trợ cho quá
trình khảo sát, đánh giá và nghiên cứu các tính chất của vật liệu.
Trong các thiết bị nhằm đánh giá tính chất vật liệu, thiết bị xác định các
thông số đặc trưng cho tính sắt điện của vật liệu từ chu trình trễ điện môi rất
được quan tâm. Hầu hết các phương pháp đo chu trình trễ điện môi đều dựa vào

nguyên lý mạch Sawyer – Tower để xác định điện tích phân cực thông qua dòng
tích phân tập trung trên tụ nối tiếp với mẫu đo. Ngày nay đã xuất hiện nhiều
phương pháp mới, những hệ đo hiện đại [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 15, 16] nhằm đánh
giá chính xác, tối ưu hơn các dạng đường trễ của vật liệu, từ đó đưa ra các kết
luận hợp lý hơn về tính chất mẫu cũng như chất lượng sản phẩm của mẫu. Trong
đó hệ RT66A với các phiên bản khác nhau của hãng Radiant Technologies đã
và đang được các phòng thí nghiệm khoa học vật liệu trong nước và trên thế giới
sử dụng, trong đó, phòng thí nghiệm bộ môn Vật lý Chất rắn, Khoa Vật lý cũng
đã được trang bị hệ đo này vào năm 2001. Tuy nhiên, do hạn chế về kinh phí
nên đến nay rất khó khăn trong quá trình cập nhật vì không có mã nguồn điều
khiển, không thể can thiệp sâu trong mạch điện tử của các hệ thiết bị. Chính vì
vậy, để chủ động và phát triển các phương pháp đo cho vật liệu, chúng tôi đã lựa
chọn và triển khai đề tài: "Phát triển, tự động hóa hệ đo đường trễ điện môi ứng
dụng trong nghiên cứu tính chất vật liệu sắt điện"
2. Mục đích và nội dung nghiên cứu
Mục đích đầu tiên của đề tài là hướng đến nghiên cứu, phát triển và mở
rộng phép đo đường trễ sắt điện bằng phương pháp “đất ảo” dựa trên hệ đo
RT66A. Với các kết quả thu được, tiến hành so sánh và đánh giá các hệ đo, từ
đó chỉ ra được các ưu điểm nổi bật của các phương pháp này.


-8-

Với mục đích đặt ra, nội dung nghiên cứu của luận văn hướng đến các nội
dung chính sau:
+ Tổng quan mạch Sawyer-Tower và mạch “đất ảo” trong nghiên cứu
đường trễ sắt điện.
+ Nghiên cứu, khảo sát đường trễ sắt điện với hệ RT66A của hãng
Radiant Technologies.
+ Phát triển, tự động hóa hệ đo đường trễ điện môi dựa trên mạch khuếch

đại thuật toán Current-to-Voltage.
+ Kết nối mạch với các thiết bị hiện có, tự động hóa quá trình khảo sát
đường trễ điện môi. So sánh, đánh giá kết quả nhận được. Hình thành các luận
điểm giải thích về sự giống, khác nhau trong các kết quả đo này.
+ Đề xuất, kiến nghị
3. Ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng thực tiển của đề tài
Các kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ đóng góp một nền tảng cơ bản lý
thuyết cũng như thực nghiệm trong phương pháp khảo sát đường trễ của vật liệu
sắt điện, đồng thời nghiên cứu, xác định và đánh giá các thông số đặc trưng cho
tính sắt điện của vật liệu thông qua hệ đo RT66A và phương pháp mạch “đất ảo”
dựa trên thiết bị RT66A.
Luận văn thạc sỹ hoàn thành sẽ là cơ sở lý thuyết và phát triển quy trình
khảo sát đường trễ sắt điện dựa trên hệ đo RT66A sử dụng phương pháp “đất
ảo” , đồng thời bước đầu định hướng phát triển, nghiên cứu và khai thác đồng bộ
các thiết bị tiếp theo hiện có trong phòng thí nghiệm bộ môn Vật lý chất rắn,
khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học.
Về cấu trúc, luận văn với 3 chương chính, cụ thể là:
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN MẠCH ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI
TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN
Giới thiệu tổng quan các dạng mạch đo đường trễ điện môi trong nghiên
cứu đường trễ sắt điện, lý thuyết về cấu trúc Đômen và đường trễ sắt điện.
CHƯƠNG 2. HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI TRÊN THIẾT BỊ CỦA
HÃNG RADIANT TECHNOLOGIES
Trình bày khái quát về nguyên lý hoạt động của hệ đo RT66A, các chức
năng chính và các chương trình phần mềm cơ bản kèm theo hệ đo RT66A.
Trong chương này còn trình bày các thông tin thu nhận được của đường trễ sắt
điện khi sử dụng hệ đo RT66A


-9-

CHƯƠNG 3. PHÁT TRIỂN HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI DỰA
TRÊN CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ RT66A. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN
Chế tạo mạch đo đường trễ điện môi trên nguyên lý mạch “đất ảo” sử
dụng các thiết bị của hệ RT66A. Trình bày các kết quả và đưa ra các nhận xét về
kết quả đạt được. Ngoài ra, trong luận văn còn có kết luận và một số ý kiến nhận
xét rút ra trong quá trình đo.
Luận văn được thực hiện tại khoa điện tử viễn thông, Trường Đại học
Công Nghệ Hà Nội và Trường Đại học Khoa học Huế. Thời gian thực hiện từ
tháng 01/2012 đến hết 12 /2013.


-10-

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN MẠCH ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI
TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN

Ngày nay, song song với quá trình nghiên cứu, chế tạo vật liệu mới, nhiều
hệ đo, thiết bị mới ra đời nhằm kiểm tra, đánh giá các tính chất của vật liệu. Hệ
đo đường trễ điện môi đã được tìm hiểu từ khá sớm từ hơn sáu mươi năm qua,
tuy nhiên đến ngày nay vẫn còn là bài toán bõ ngõ trong việc hoàn thiện và phát
triển hệ đo này. Với nguyên lý ban đầu của mạch Sawyer-Tower nhưng hiện nay,
nó vẫn là mạch rất thiết thực để kiểm tra các tính chất sắt điện và nghiên cứu các
hiện tượng cơ bản như sự phân cực tự phát, trường kháng và cơ chế hồi phục đảo
chiều phân cực nói chung. Các kết quả nhận được từ hệ đo bằng phương pháp
mạch Sawyer-Tower đã cho thấy sự cải thiện chất lượng của kết quả, dữ liệu
được thu nhận hoàn toàn tự động và dễ dàng xử lý bằng phần mềm tính toán.
Ngày nay mạch “đất ảo” được sử dụng nhiều hơn trong khảo sát, nghiên cứu các
vật liệu sắt điện. Thông qua mạch này, các kết quả thu nhận chính xác và đáng
tin cậy hơn.

1.1. Vật liệu sắt điện có cấu trúc Perovskite.
1.1.1. Cấu trúc của gốm dạng ABO3 [1, 2]
Perovskite là tên gọi của khoáng vật có cấu trúc lập phương CaTiO 3. Hầu
hết các loại gốm áp điện được sử dụng rộng rãi hiện nay như BaTiO 3 (BT),
PbTiO3 (PT), PbZr1-xTixO3 (PZT), [Pb1-yLay][Zr1-xTix]O3 (PLZT), KTaxNb1-xO3
(KTN)…đều có cấu trúc Perovskite. Các oxit phức này có công thức tổng quát
là ABO3, trong đó A là các cation (hóa trị 1, 2 hoặc 3) có bán kính ion lớn, B là
các cation (hóa trị 5, 4 hoặc 3 tương ứng) có bán kính ion nhỏ hơn và O là oxy.
Các chất sắt điện có cấu trúc Perovskite đã được tìm thấy đều có công thức dạng
A2+B4+O32- hoặc A1+B5+O32-, tuy nhiên chưa phát hiện được tính sắt điện trong
các hợp chất dạng A3+B3+O32-.
Cấu trúc Perovskite thực chất là một mạng 3 chiều của các bát diện BO6- ,
tuy nhiên chúng ta cũng có thể mô tả chúng gồm những hình lập phương xếp
chặt của các ion A và O, ion B nằm ở tâm bát diện.
Hình 1.1 mô tả cấu trúc ABO3, ở đỉnh của ô cơ sở là các ion A, ion B nằm ở tâm
và được bao quanh bởi các ion oxy. Các ion oxy nằm ở tâm các mặt tạo nên


-11-

khối bát diện oxy quanh ion B (BO6). Trên cơ sở mạng xếp chặt này ta sẽ xác
định các hệ thức hình học đặc trưng cho độ bền vững của cấu trúc.
Xét tam giác vuông AOC, ta có:
OA = 21/2 OC; OA = RA + RO; OC = RO + RB;
RA, RB, RO là bán kính của các ion A, B và O một cách tương ứng. Để đặc trưng
cho mức độ xếp chặt của cấu trúc perovskite, người ta đưa ra một thừa số t gọi là
thừa số xếp chặt (hay thừa số bền vững).
t = (RA + RO) / [ 21/2.(RO + RB)]
nếu t = 1: Cấu trúc là xếp chặt lý tưởng.
t > 1: Khoảng cách OB lớn hơn tổng các bán kính của các ion O và B, ion B có

thể dịch chuyển bên trong khối bát diện của mình.
t < 1: Khoảng cách OA sẽ lớn hơn tổng các bán kính của các ion A và O, bản
thân ion A có thể di chuyển được.
Phần lớn các kiểu Perovskite có cấu trúc lập phương ở pha thuận điện.
Đối với chúng thừa số t ở trong khoảng 0.9  1.05 và hằng số mạng a gần bằng 4
Å. Ngoài ra còn có các hợp chất có cấu trúc như cấu trúc Perovskite lập phương
nhưng nén mạng, do đó được gọi là cấu trúc giả đối xứng.
A
C

OI

A
OII
B

(a)

(b)
Hình 1.1: (a) Ô cơ sở perovskite lập phương,
(b) Mạng 3 chiều của các bát diện BO6 .

Cấu trúc giả đối xứng xuất hiện do sự dịch chuyển không lớn của các
nguyên tử từ vị trí của chúng trong mạng có đối xứng cao. Đặc trưng của nhóm


-12-

này là t không thay đổi trong một khoảng rộng, nhưng tất cả đều gần bằng 1, và
hằng số mạng nhỏ hơn 4 Å. Các hợp chất có cấu trúc giả đối xứng là quý đối với

sự xuất hiện của tính chất sắt điện.
Đối với PbTiO3 có t <1, điều đó cho thấy ion Ti có khả năng dịch chuyển
bên trong khối bát diện oxy từ tâm khối mà nó chiếm ở pha thuận điện khi hạ
nhiệt độ xuống dưới điểm Tc. Sự dịch chuyển của ion Ti có thể dẫn đến không
chỉ xuất hiện cấu trúc giả đối xứng mà còn cả phân cực tự phát.
1.1.2. Phân cực tự phát trong các tinh thể sắt điện.
Trong 32 lớp đối xứng tồn tại trong thế giới tinh thể, có 20 lớp không có
tâm đối xứng và có tính chất áp điện. Trong 20 lớp này có 10 lớp hỏa điện. Bản
thân sắt điện là một tinh thể có cực, tức là hỏa điện, nó là phân nhóm của 10
nhóm này nhưng có tính chất đặc biệt hơn hỏa điện là chiều phân cực có thể
thay đổi. Như vậy, có thể nói rằng sắt điện là các chất rắn có cấu trúc tinh thể mà
khi không có điện trường ngoài vẫn tồn tại phân cực tự phát và chiều của phân
cực tự phát có thể thay đổi bởi trường ngoài. Một đặc tính nữa của nó là trạng
thái sắt điện chỉ tồn tại dưới một nhiệt độ tới hạn T c nào đó (nhiệt độ Curie).
Phân cực tự phát được định nghĩa như là giá trị mô men lưỡng cực điện
trên một đơn vị thể tích, hoặc là giá trị của điện tích trên một đơn vị diện tích bề
mặt vuông góc với trục của phân cực tự phát. Bản thân các tính chất điện liên
quan rất mạnh đến cấu trúc tinh thể, trục phân cực tự phát thường là các trục tinh
thể. Nhìn chung, các tinh thể có trục cực đều tồn tại hiệu ứng áp điện. Độ phân
cực tự phát của sắt điện được đặc trưng bởi giá trị trung bình của mômen lưỡng
cực M trong thể tích V của tinh thể:
1
(1.1)
P 
MdV
S

V



Khi nhiệt độ thay đổi sẽ xuất hiện các điện tích trên mặt biên vuông góc
với phương xảy ra sự thay đổi của Ps và không trùng với bất kỳ yếu tố đối xứng
nào của lớp tinh thể đã cho. Hướng này bất biến đối với phép biến đổi đối xứng
bất kỳ và là dấu hiệu đối xứng của tinh thể có cực có tính chất hỏa điện, trục dọc
theo hướng này được gọi là trục cực.
Bằng phương pháp nhiễu xạ nơtron, người ta đã xác định được độ dịch
chuyển của các ion trong mạng BaTiO3 sắt điện. Chính sự dịch chuyển này đã
làm thay đổi sự phân bố các ion trong mạng của BaTiO 3, tạo ra sự nén mạng và
chuyển cấu trúc từ lập phương sang tứ giác. Như vậy, sự xuất hiện phân cực tự


-13-

phát trong pha sắt điện là do độ linh động lớn của Ti trong khối bát diện oxy.
Nếu chọn gốc tọa độ là ion O II (hình 1.1a) thì độ dịch chuyển của ion Ba2+, Ti4+
và OI2- theo phương trục c một đoạn +0.06Å, +0.12 Å và -0.03 Å tương ứng.
Trong PbTiO3, sự dịch chuyển của Pb2+ và Ti4+ dọc theo trục c một đoạn +0.47
Å và +0.30 Å tương ứng.
Về mặt nghiên cứu cơ bản hiện nay có 2 vấn đề được tập trung nghiên cứu:
Thứ nhất là vấn đề về bản chất phân cực tự phát trong các hệ vật liệu có
cấu trúc Perovskite. Tại sao PbTiO3 và BaTiO3 có cùng kiểu cấu trúc, song phân
cực tự phát của PbTiO3 lại lớn hơn BaTiO3.
Các nghiên cứu cơ bản hiện nay vẫn tập trung vào việc tìm hiểu bản chất
của tính sắt điện của chúng. Trong nhiều năm, phần lớn thừa nhận rằng các vật
liệu sắt điện được phân thành 2 nhóm hoặc là BaTiO 3 hoặc là SrTiO3. Tuy
nhiên cũng có ý kiến khi nghiên cứu hệ BaTiO3 -PbTiO3 cho rằng vai trò của ion
A trong cấu trúc Perovskite (ABO3) có bán kính ion không tương xứng nhau.
Một vài nghiên cứu đã chỉ ra rằng có một sự thực là đặc tính cộng hoá trị không
hoàn toàn của liên kết Pb-O là cơ sở làm cho sự khác nhau giữa các vật liệu này.

Các tác giả bằng phương pháp EPR để nghiên cứu sự dịch chuyển của ion Pb
trong Pb(Zr,Ti)O3. Kết quả cho thấy tính sắt điện của PZT liên quan đến mức độ
liên kết giữa trạng thái 6s của Pb và trạng thái 2p của oxy. Nếu như trạng thái
liên kết này mang tính cộng hoá trị thì ngược lại với các loại vật liệu như
BaTiO3 lại có liên kết hoàn toàn ion.
Theo mô hình thường được sử dụng nhất hiện nay, thì tính sắt điện trong
các vật liệu có cấu trúc Perovskite là do sự dịch chuyển của ion B so với vị trí
của các ion oxy nằm ở đỉnh và mặt trong mạng bát diện oxy, khi đó t  1. Theo
mô hình đó điện trường định xứ tại ví trí B là lớn nhất và vì vậy khi độ dịch
chuyển của B càng tăng thì mô men phân cực tự phát trong hệ là lớn.
Nhìn chung, lý thuyết cổ điển về hệ số bền vững không giải thích được
một cách thoả đáng tính sắt điện trong các Perovskite chứa Pb. Ví dụ, trong các
vật liệu SrTiO3 - BaTiO3 - PbTiO3, SrTiO3 không phải là sắt điện ở nhiệt độ
phòng; BaTiO3 là sắt điện và PbTiO3 cũng là sắt điện song mạnh hơn rất nhiều
lần so với BaTiO3.
Phân cực tự phát của BaTiO3 là 28C/cm2 còn của PbTiO3 là 57C/cm2.
Trong khi đó bán kính ion của Sr+2 là 1.37A0, Pb+2 là 1.40A0 và Ba+2 là 1.52A0.
Hơn nữa, khi so sánh các hệ Ba(Zr,Ti)O3 và Pb(Zr,Ti)O3 chúng ta cũng thấy


-14-

được vai trò của ion A đối với tính sắt điện của hệ. Ba(Zr,Ti)O 3 có tính sắt điện
chủ yếu tại thành phần chứa 22%molZr, trong khi đó, PZT lại có tính sắt điện
đến thành phần chứa 95%molZr. Mặt khác, độ dịch chuyển của ion Ti lớn hơn
hai lần so với độ dịch chuyển của ion Ba trong BaTiO3 , còn ion Pb dịch chuyển
lớn hơn ion Ti trong PbTiO3.
Bảng 1.1 Độ dịch chuyển của các ion trong BaTiO3 và PbTiO3.
x A0
BaTiO3 0.06

PbTiO3 0.47

A ion
Z*

P%

2.75
3.90

14
46

x A0

Ti
Z*

P%

0.12
0.30

7.16
7.06

86
54

1.2. Cấu trúc Đômen của chất sắt điện

Phân cực tự phát trong một chất sắt điện hoặc trong một hạt của gốm sắt
điện thường được sắp xếp không đồng đều trong toàn tinh thể. Ví dụ: PbTiO 3 là
một tinh thể Perovskite có sự biến đổi từ pha lập phương không sắt điện sang
pha tứ giác sắt điện tại 4900C. Phân cực tự phát trong PbTiO 3 nằm dọc theo trục
CT của ô mạng tứ giác và sự biến dạng tinh thể thường xảy ra do sự dịch chuyển
của các ion O2- và Ti4+ đối với Pb2+. Trong pha sắt điện, tinh thể bị biến dạng tự
phát với aT ≤ aC ≤ cT, trong đó aT và aC là các trục a của ô mạng tứ giác và lập
phương. Sáu hướng (bao gồm cả dương và âm) dọc theo 3 trục a C của ô lập
phương là tương đương nhau và phân cực tự phát có thể xuất hiện dọc theo bất
kỳ hướng nào với xác suất bằng nhau khi tinh thể được làm nguội xuống dưới
nhiệt độ Curie TC. Hướng mà dọc theo đó phân cực tự phát phát triển sẽ phụ
thuộc vào các điều kiện biên về điện và cơ tác dụng lên mẫu.
Thông thường sự định hướng song song đều đặng của các lưỡng cực điện
chỉ xảy ra trong một vùng xác định của tinh thể, trong khi các vùng khác của
tinh thể các véctơ phân cực tự phát có thể hướng theo chiều ngược lại. Những
vùng có sự phân cực đều đặng như vậy được gọi là các đômen sắt điện. Mặt
phân chia giữa hai đômen gọi là vách đômen. Khi tinh thể sắt điện nằm ở pha
thuận điện, lúc này nó là một điện môi tuyến tính. Nếu hạ nhiệt độ của tinh thể
xuống dưới nhiệt độ TC thì trong tinh thể bắt đầu hình thành các đômen. Như
vậy nhiệt độ Curie TC là ranh giới giữa cấu trúc đômen và phá hủy đômen, tại
đây cấu trúc đômen bất ổn định. Các tính chất của điện môi sẽ thay đổi đột ngột
khi vượt qua ranh giới này [1, 2, 10, 11].


-15-

Giả sử tinh thể chỉ có một đômen (hình 1.2a), do có phân cực tự phát PS
nên xuất hiện các điện tích cảm ứng trái dấu trên bề mặt tinh thể làm tạo ra một
điện trường khử phân cực Ek dẫn đến làm tăng năng lượng của hệ: hệ sẽ không
bền vững. Khi hạ nhiệt độ của tinh thể xuống dưới nhiệt độ TC, nếu không có

trường ngoài, sự phân cực tự phát trong toàn bộ tinh thể không còn là đồng nhất.
Do năng lượng (thế nhiệt động) là một hàm chẳn của độ phân cực (tỷ lệ với PS2 )
nên ở pha sắt điện, giá trị tuyệt đối của nó không phụ thuộc vào chiều của véctơ
PS. Đối với tinh thể đơn trục, trạng thái của độ phân cực +PS và –PS là bền vững
như nhau. Điều này dẫn đến khả năng phân chia tinh thể thành nhiều đômen có
véctơ phân cực tự phát định hướng khác nhau.
Như vậy, nguyên nhân tạo thành cấu trúc đômen là thuần tuý về năng
lượng. Việc phân chia thành các đômen nói chung là thuận lợi về năng lượng vì
khi đố điện trường và điện năng liên kết với nó giảm một cách đáng kể.
Với tinh thể đơn trục, chỉ có thể tồn tại loại đômen có véctơ phân cực tự
phát khác nhau 1800 (PS1 ↑↓ PS2) và được gọi là đômen 1800 (hình 1.2 b).

(a)

(b)

(c)

Hình 1.2: (a) Tinh thể một đômen (b) đômen 1800 (c) đômen 900.
Trong tinh thể sắt điện đa trục, sự phân cực tự phát có thể theo một vài
hướng tương đương, vì vậy trong chúng có thể tồn tại các đômen có véctơ phân
cực tự phát thẳng góc nhau (PS1  PS2) và gọi là đômen 900 (hình 1.2c).
Các đômen được tạo ra trong một tinh thể sắt điện phụ thuộc vào tính đối
xứng của cả hai pha không sắt điện và sắt điện của tinh thể. Trong pha mặt thoi
Titanate ziconat chì Pb(Zr,Ti)O3, phương của phân cực phát triển dọc theo các
đường chéo khối (phương [111]) của ô mạng lập phương thuận điện. Điều này
làm cho phân cực tự phát có thể xảy ra theo 8 hướng với các đômen 180 0, 710 và
1090.
1.3. Đường trễ điện môi
Một trong những tính chất quang trọng của các vật liệu sắt điện là khả

năng dịch chuyển của các véctơ phân cực dưới tác dụng của điện trường ngoài.
Hệ quả của sự dịch chuyển các vách đômen trong các vật liệu sắt điện là việc tạo


-16-

thành đường trể điện môi, trong đó độ phân cực P là một hàm phi tuyến của điện
trường E áp đặt dọc theo trục sắt điện.

P

B

C

F
D
A

-EC
0

G

EC

E

H

Hình 1.3: Đường trễ điện môi trong các vật liệu sắt điện.
Trên hình 1.3 là dạng đường trể điện môi của một tinh thể sắt điện nhiều đômen.
Khi không có điện trường ngoài E, phân cực tự phát của sắt điện sẽ bằng không
(do sự bù trừ có dấu khác nhau). Nếu áp đặt điện trường ngoài E theo một hướng
nào đó của trục sắt điện, khi E nhỏ, do hiện tượng phân cực cảm ứng, P tăng
tuyến tính theo E như điện môi bình thường (đoạn OA).
Tiếp tục tăng E sẽ xuất hiện hiện tượng tái phân cực các đômen tức là
xuất hiện phân cực lưỡng cực (các vách đômen lưỡng cực dịch chuyển theo
chiều của E) và ngày càng có nhiều đômen tham gia vào quá trình tái phân cực,
khi đó sự phụ thuộc của phân cực vào E sẽ phi tuyến (đoạn AB). Tại một giá trị
E nào đó, tất cả các đômen sẽ tái phân cực theo hướng của điện trường và đạt
bảo hoà (đoạn BC). Lúc này nếu gia tăng cường độ điện trường hơn nữa thì chỉ
có một lượng không lớn phân cực điện tử và phân cực ion xuất hiện. Đường tiếp
tuyến với đường cong cắt trục P tại F biểu diễn cho giá trị phân cực tự phát P S,
có nghĩa là toàn bộ đômen đều định hướng theo chiều điện trường. Sở dĩ như
vậy vì phân cực điện tử và ion sẽ biến mất khi điện trường bằng không. Nếu
giảm E đến không, đường cong P(E) không trùng với đường cong ban đầu do
các mômen lưỡng cực không quay lại hết về vị trí ban đầu, do đó tồn tại phân
cực dư Pr (điểm D). Sở dĩ sự phân cực của đômen không biến mất ngay tức khắc
vì do sự tương tác mạnh giữa các đômen lân cận có xu hướng giữ chúng định
hướng song song nhau. Tuy nhiên độ phân cực sẽ giảm dần theo thời gian. Để
giảm giá trị P (< Pr) ta đặt một điện trường theo chiều ngược lại và tăng dần


-17-

nhằm quay tiếp các mômen lưỡng cực. Nếu thay đổi dấu và tăng cường độ điện
trường E, tại một giá trị tới hạn của điện trường gọi là trường điện kháng E C thì
đường cong thế năng sẽ bị thay đổi thành đối xứng, các cation B sẽ dịch chuyển
sang vị trí cân bằng mới cách các tâm của ô cơ sở một đoạn  , các hướng của

mômen lưỡng cực tự phát cũng bị thay đổi và xuất hiện quá trình phân cực lại.
Khi tiếp tục tăng E rồi lại giảm E về không, độ lớn của phân cực tự phát không
bị thay đổi: PS = -PS . Nếu đảo dấu E một lần nữa và đạt đến giá trị trường điện
kháng EC , một lần nữa lại xuất hiện sự phân cực lại. Như vậy ta thu được một
đường cong kín CDGHC biểu diễn mối liên hệ của phân cực với cường độ điện
trường ngoài: chu trình trể điện môi. Từ chu trình trể điện môi ta có thể xác định
được phân cực bão hoà PS, phân cực dư Pr và điện trường kháng EC.
Việc tồn tại cấu trúc đômen chính là cội nguồn của tính phi tuyến và
đường trễ điện môi [1, 20]. Có thể nói rằng đường trễ là một trong những biểu
hiện rõ rệt nhất của tính chất sắt điện. Khảo sát về đường trễ sắt điện sẽ được
trình bày chi tiết trong phần tiếp theo.
1.4. Mạch Sawyer-Tower
Mạch đo Sawyer-Tower (hình 1.4) là mạch cơ bản dựa trên phương pháp
đo điện tích áp đặt trên tụ tham chiếu được mắt nối tiếp với mẫu. Điện thế sụt áp
trên tụ tham chiếu là tỷ lệ thuận với độ phân cực được xác định bởi V=Q/C .
Tuy nhiên, nếu điện áp trên tụ tham chiếu tăng, điện áp trên mẫu giảm vì thế tụ
tham chiếu được lựa chọn phải lớn hơn nhiều so với mẫu. Nếu tụ tham chiếu lớn
hơn 100 lần thì điện thế sụt áp là khoản 1% . Điều này có nghĩa rằng tụ tham
chiếu là phù hợp với mỗi mẫu khác nhau. Phương pháp mạch Sawyer-Tower có
thể được sử dụng đo với tốc độ cao nhưng chủ yếu bị hạn chế bởi sự phản xạ của
dây dẫn, như hiệu ứng ký sinh, dung kháng giữa dây dẫn với mẫu, trở kháng
giữa bộ khuếch đại ghi nhận tín hiệu và tụ tham chiếu (mắc song song với nhau).
Điển hình dây dẫn có giá trị dung kháng từ 33pF đến 100pF trên một mét,
đối với các tụ nhỏ tổng điện dung đo được tăng cao trên giá trị điện dung của vật
liệu áo điện. Hơn nữa, nó là vấn đề khó khăn để có được tụ tham chiếu chính
xác với kiểu tụ có dung sai vài phần trăm.
Mặt khác, trở kháng ngõ vào của thiết bị đo điện áp là mắc song song với
tụ tham chiếu và phóng điện liên tục, vì thế mạch Sawyer-Tower không phù hợp
cho việc đo chậm.

-18Cx
Y
A.C
V

Vy
X
Vx

C0

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý mạch Sawyer – Tower.

Hình 1.5: Mạch Sawyer – Tower hoàn chỉnh.
Đường trễ sắt điện được quan sát bằng phương pháp mạch Sawyer–
Tower. Điện trường ngoài V áp đặt lên mẫu sắt điện C x được phân áp bằng 2
điện trở và được đưa vào trục X của dao động ký. Một tụ điện tuyến tính C 0
được mắc nối tiếp với Cx (C0 >> Cx). Thế rơi trên C0 tỷ lệ với độ phân cực của
mẫu Cx, được đưa vào trục Y của dao động ký. Hình 1.5 trình bày mạch
Sawyer–Tower đã được thiết kế lại và đang được sử dụng để mở rộng hệ khảo
sát đường trễ sắt điện. Mạch lắp ráp khá đơn giản nhưng mang lại kết quả đo
khá chính xác. Bên cạnh đó chúng ta có thể chủ động thay đổi giá trị các thành
phần linh kiện điện tử để có được kết quả đo tốt hơn. Điều này đã giúp cho việc
khảo sát và nghiên cứu các mẫu gốm sắt điện một cách thuận lợi và dễ dàng.
Tuy nhiên, hiện nay tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn đang sử dụng
mạch Sawyer – Tower với nguyên lý thay đổi tín hiệu nhận vào. Nhóm tác giả
trước đây đã thay thế hai trở đầu vào bằng hai tụ (hình ảnh hệ đo ở hình 1.6).

-19-

Hình 1.6: Hệ đo mạch Sawyer-Tower của nhóm tác giả trước đây.

Hình 1.7: Sơ đồ phát triển dựa trên mạch Sawyer-Tower.

Hình 1.8: Hệ đo hoàn chỉnh phát triển trên mạch Sawyer-Tower.
Dựa trên nguyên lý của mạch Sawyer-Tower, nhóm tác giả (thạc sĩ Tôn
Thất Dũng) kết hợp với các thiết bị hiện có trong phòng thí nghiệm nhằm mở
rộng các phương án đo (Hình 1.7). Nhóm tác giả này đã kết nối mạch tích hợp
với máy phát tần số đa chức năng và dao động ký số TDS1000B để đọc và thu
dữ liệu. Ngoài ra họ cũng đã ghép nối mạch Sawyer-Tower với máy phát đa tần
số DFG-9020-20MHz phát tín hiệu AC với biên độ, tần số, và dạng sóng có thể


-20-

thay đổi được một cách tự động, bộ khuếch đại cao thế Trek6900 ( khuếch đại
trong khoảng -4000 đến 4000 Vpp) và máy dao động ký số TDS1000B để khảo
sát các mẫu gốm sắt điện có chiều dày lớn (từ 0.5 – 1mm) (Hình 1.8).

(a)
(b)
Hình 1.9: (a) Máy phát phát tín hiệu kích thích dưới dạng xung tam giác áp
đặt lên mẫu. (b) Hình ảnh đường trễ sắt điện thu nhận trên dao động ký số.
Hình 1.9 (a) trình bày tín hiệu thực nghiệm của hệ đo Sawyer-Tower.
Máy phát đa chức năng (DFG-9020-20MHz) có thể phát tín hiệu AC với biên
độ, tần số, và dạng sóng có thể thay đổi được một cách tự động. Dao động ký
được thiết lập để hiển thị các tín hiệu kích thích và tín hiệu ‘đáp ứng’ như là một
hàm số theo thời gian. Hình 1.9 (b) trình bày kết quả của một đường trễ sắt điện

hiển thị trên dao động ký số TDS1000B. Để ý rằng trong hình 1.9 (a), sóng kích
thích dạng sin (X) là tín hiệu phía trên hiển thị trên dao động ký. Tín hiệu “đáp
ứng” sau khi đi qua mẫu được đưa vào kênh 2 của máy dao động ký số. Tuy
nhiên tín hiệu này chính là điện áp tích trên tụ điện CS (Y) (được biểu diễn bởi
tín hiệu trên của hình 1.9 a). Dạng sóng nằm phía dưới không có hình dạng
giống như sóng sin kích thích. Mẫu sắt điện điều chỉnh (làm méo) dạng sóng
kích thích. Một sóng tam giác cũng có thể được sử dụng để làm sóng kích thích.
Sóng tam giác làm việc rất tốt và trên thực tế việc sử dụng chúng để nghiên cứu
và kiểm tra tính chất của vật liệu sắt điện. Việc điều biến bởi các mẫu sắt điện
đặc biệt rõ ràng khi sử dụng máy phát đa chức năng phát tín hiệu có dạng sóng
tam giác.


-21-

CHƯƠNG 2. HỆ ĐO ĐƯỜNG TRỄ ĐIỆN MÔI TRÊN THIẾT BỊ CỦA
HÃNG RADIANT TECHNOLOGIES

2.1. Giới thiệu về hãng Radiant Technologies
Trong 21 năm qua, hãng Radiant Technologies, Inc. đã hình thành các
tiêu chuẩn thống nhất trên toàn thế giới nhằm đánh giá các tính chất của các loại
vật liệu sắt điện. Radiant tiếp tục bán ra thị trường các thiết bị đo tối tân nhất để
kiểm tra các tính chất của vật liệu sắt điện và các ứng dụng của nó, trong đó có
gốm sắt điện. Radiant đã chế tạo riêng thiết bị để kiểm tra tính sắt điện của vật
liệu và nay đã tích hợp các mạch có các chức năng khác nhau vào trong cùng
một thiết bị, vì thế làm giảm được chi phí đầu tư đồng thời tăng đáng kể chất
lượng và chức năng đo.
Mấu chốt trong chiến lược này là phát triển sản xuất các thiết bị tích hợp
sắt điện đã được phát triển hơn một thập kỹ qua và hổ trợ phát triển sản phẩm
cũng như bán hàng. Ngày nay, chỉ có hãng Radiant là có khả năng tích hợp thiết

bị sắt điện và được sản suất tại Mỹ. Trong tương lai, Radiant sẽ cung cấp các sản
phẩm cá nhân dùng trong gia đình.
Công nghệ sắt điện tiên tiến của Radiant dựa trên 3 yếu tố : 1) Quá trình
sản xuất tích hợp chất sắt điện độc đáo của Radiant, 2) Vị trí hàng đầu trong việc
sản xuất các thiết bị đo sắt điện trên toàn thế giới, 3) Sở hữu độc quyền thiết bị
đo sắt điện trong ngành Vật lý. Thiết bị kiểm tra và quy trình tinh chế của
Radiant thực tế và thiết thực. Ngược lại, quy trình màn mỏng áp điện của
Radiant là tiên tiến nhất thế giới từ việc sử dụng phù hợp các thiết bị kiểm tra
của Radiant để kiểm tra tính chất màn mỏng áp điện với độ tin cậy cao. Việc thử
nghiệm và quy trình thiết kế xung quanh mô hình vật lý mạnh mẽ của vật liệu
sắt điện, mô hình đó đã được thử nghiệm và chứng minh liên tục với các thử
nghiệm trong quá trình chế tạo [9, 12, 13, 14].
RT66A hiện có tại Khoa Vật lý- Trường Đại học Khoa học (hình 2.1) là
một thiết bị của hãng Radiant. Hệ đo khảo sát các tính chất của màng mỏng sắt
điện phi tuyến cũng như các vật liệu gốm sắt điện. RT66A được ghép nối với
máy vi tính trên cơ sở giao tiếp DT2811-PGH, nó bao gồm lối vào số (I/O) và
các bộ chuyển đổi ADC và DAC. Trong RT66A, ngoài kiểu đo sử dụng phương
pháp Saywer – Tower thông thường, nó còn có chế độ đo “đất ảo” (hình 2.2).
Ngoài các ưu điểm trên, RT66A còn có một hệ thống các chương trình phần


-22-

mềm khác như Charge, Retain, Resist, Fatigue, Manual, Piezo, Analysis, Aging
nên rất thuận lợi cho các nghiên cứu các tính chất của vật liệu sắt điện.

Hình 2.1: Hệ đo RT66A.

Hình 2.2: Hình ảnh tổng thể hệ đo RT66A.
Về mặt lý thuyết, các chương trình đo được sử dụng trong RT66A có thể

khảo sát các thành phần riêng lẽ của đường trễ sắt điện và làm khớp các thành
phần này. Để nhận được các thành phần này, phải biểu diễn các phép đo dưới
dạng mỗi phép đo bao gồm sự kết hợp của các thành phần khác nhau. Sau đó,
phân tích so sánh các phép đo này sẽ mô phỏng lại các thành phần. Với năm
thành phần kết hợp trong một mô hình, tối thiểu 5 phép đo phải được thực hiện
để thu nhận chính xác các thành phần này (giống như nguyên lý giải phương
trình đại số với 5 biến đòi hỏi phải có 5 phương trình độc lập). Các thành phần
của nó có thể đo một cách trực tiếp là:
1. Đường trễ phân cực dư
2. Đường trễ ký sinh
3. Đường trễ dung kháng tuyến tính


-23-

4. Đường trễ trở kháng rò
Đường trễ toàn phần phân cực “không dư” (non-remanent hysteresis)
không thể đo một cách trực tiếp. Kết quả là khi đã đo được một đường trễ toàn
phần, nó sẽ cho 5 tập tin dữ liệu độc lập và 4 thành phần khác được đo trực tiếp
sẽ được trừ đi từ đường trễ toàn phần. Các mục tiếp theo sẽ mô tả chi tiết các
bước khảo sát các thành phần và các giả thiết cho quá trình này trên thiết bị
RT66A.
2.2. Đường trễ sắt điện “toàn phần” (Full Histeresis)
Đường trễ “toàn phần” được xây dựng từ hai phép đo đường trễ đối xứng.
Nửa thứ hai của đường trễ được cắt ra từ số liệu tương ứng của chúng và một
mảng số liệu mới được tạo ra từ hai nữa đường cong. Một nữa đầu tiên của phép
đo đường trễ được loại bỏ để khử hiệu ứng lúc mới bật máy (‘turn on’). Do đó
đường trễ toàn phần hiển thị trên màn hình thực sự là hai nửa của hai phép đo
riêng biệt nối với nhau. Đường trễ toàn phần được giả định là chứa tất cả năm
thành phần của đường trễ.

Hình: 2.3: Hình ảnh khảo sát đường trễ sắt điện.
Sự kết hợp đồ thị của hai kiểu đo đường trễ được thực hiện bởi chương
trình ‘Charge’ với các chiều đối xứng được trình bày trong hình 2.3. Cần chú ý
đến hiệu ứng ‘turn on’ của hai phép đo đường trễ tại điểm đầu nhưng trạng thái
biểu kiến của các đường trễ kết hợp khi thành phần thứ hai của mỗi đường trễ
được khảo sát.
2.3. Khảo sát đường trễ sắt điện với chương trình MODEL và ANALYSIS
2.3.1. Chương trình phần mềm ANALYSIS và MODEL
Trong phần này so sánh hai chương trình đo “MODEL” và
“ANALYSIS”. Có thể tiên đoán được rằng các giá trị thu nhận được của hai
chương trình này không chính xác hoàn toàn như giá trị thực của chúng. Phần